最壞情況分析在衛(wèi)星電源控制器中的應(yīng)用

王艷芝

摘要

電源控制器是衛(wèi)星一次電源子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對保障衛(wèi)星穩(wěn)定可靠運(yùn)行發(fā)揮重要的作用。本文基于最壞情況分析理論，利用Saber軟件對衛(wèi)星電源控制器中的主誤差放大電路進(jìn)行了仿真分析，討論了元器件參數(shù)漂移和溫度變化對輸出電壓的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了電路的薄弱環(huán)節(jié)，對電路的可靠性設(shè)計具有很好的參考價值和指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】電源控制器 最壞情況分析 主誤差放大電路 薄弱環(huán)節(jié)

1 引言

最壞情況分析是GJB450的一個重要工作項目，其目的是評價電路在元器件參數(shù)偏移條件下其是否仍滿足設(shè)計要求，及分析在元器件參數(shù)偏移條件下電路中元器件是否存在過應(yīng)力的情況。

2 最壞情況分析方法

最壞情況分析大體上可以歸為兩種方法，一種是通過已知的元器件參數(shù)的隨機(jī)分布規(guī)律，利用統(tǒng)計方法計算電路特性的分布規(guī)律，即蒙特卡羅分析。第二種最壞情況分析方法是分析在電路組成部分參數(shù)最壞組合下的最壞可能輸出。

基于Saber軟件進(jìn)行最壞情況分析首先要確定進(jìn)行分析的系統(tǒng)電路，然后定義元器件參數(shù)的偏差范圍，建立被分析電路的仿真分析模型，根據(jù)己確定的待分析電路的具體要求和條件，借助仿真軟件對該電路進(jìn)行最壞情況電路分析。將分析結(jié)果與設(shè)計要求進(jìn)行比較，若符合要求則分析結(jié)束;若不符合要求，則重新選擇元器件參數(shù)或更改電路結(jié)構(gòu)，并對改進(jìn)后的電路繼續(xù)進(jìn)行最壞情況分析，直到滿足要求為止。

3 電源控制器原理分析

電源控制器是衛(wèi)星一次電源子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著整星電能的傳輸、轉(zhuǎn)換和控制任務(wù)，動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電、儲能和負(fù)載之間的功率平衡。大功率電源控制器常采用三域控制，主誤差放大器（MEA）統(tǒng)一控制太陽電池陣的分流和蓄電池的充放電，以保證母線電壓穩(wěn)定。光照期太陽電池陣的輸出功率通過順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器（S3R）傳遞到母線，并通過蓄電池組充電調(diào)節(jié)器（BCR）對蓄電池組進(jìn)行充電;陰影期蓄電池組通過PCU的放電調(diào)節(jié)器 （BDR）輸出功率，滿足負(fù)載的功率需求。

4 最壞情況分析

4.1 常態(tài)仿真結(jié)果

MEA電路的主要功能是完成對誤差信號的比例積分。為了保證母線電壓調(diào)節(jié)精度，電路設(shè)計上的主要措施是對誤差放電器采用比例積分方式來替代純粹的比例放大方式，電路具有更高的直流增益。根據(jù)元器件資料及元器件參數(shù)，在仿真環(huán)境下建立電路的仿真模型，并對電路進(jìn)行常態(tài)仿真分析，仿真結(jié)果如圖1所示。

由上圖可知，MEA電路輸出的電壓值能穩(wěn)定在1V到26V之間全域穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

4.2 確定元器件相關(guān)參數(shù)最壞情況值

本文采用的是最壞情況分析中的蒙特卡羅分析，需收集MEA電路中相關(guān)元器件的參數(shù)最壞情況值。根據(jù)最壞情況極值數(shù)據(jù)庫的相關(guān)資料，環(huán)境溫度、器件老化對元器件參數(shù)的影響及其他元器件偏差值。其中電阻初始誤差±1%，溫度老化誤差±1.2%;電容初始誤差±10%，溫度老化誤差±10%;三極管值溫度老化誤差-1.2%;電源電壓溫度老化誤差±10%;穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值溫度老化誤差±0.1%。

4.3 MEA電路最壞情況應(yīng)力分析

蒙特卡羅分析給出了模型參數(shù)值在浮動范圍內(nèi)隨機(jī)取樣，對所取的參數(shù)值進(jìn)行分析，檢驗器件在一定范圍內(nèi)浮動對輸出的影響。對電路進(jìn)行蒙特卡羅分析，仿真結(jié)果如圖2所示。

仿真結(jié)果表明，考慮穩(wěn)定和老化因素對母線誤差放大電路電阻、直流電壓源造成的影響時，MEA電路輸出的電壓值仍能穩(wěn)定在1V到26V之間穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

4.4 薄弱環(huán)節(jié)分析

MEA電路中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值受溫度影響，溫度升高時穩(wěn)壓值變大，母線輸出電壓略微增加，溫度降低時穩(wěn)壓值降低，母線輸出電壓減小。穩(wěn)壓管的Ctv是+0.07%/℃，此次分析穩(wěn)壓值范圍采用6.18-6.22V，即上下溫漂28.57℃。由仿真結(jié)果可以看出，在溫度影響下穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值會上下浮動，母線電壓輸出值也會上下浮動，在電路設(shè)計時，需要注意挑選高性能的穩(wěn)壓管，防止穩(wěn)壓值變化時母線電壓輸出值浮動范圍過大，影響電路性能。

5 結(jié)論

本文采用Saber軟件對衛(wèi)星電源控制器中MEA電路進(jìn)行了仿真分析，討論了元器件參數(shù)漂移和溫度變化對輸出電壓的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了電路的薄弱環(huán)節(jié)。最壞情況分析可以對衛(wèi)星電源控制器的電路性能進(jìn)行評估，同時也為電源控制器的可靠性設(shè)計提供了一種有效方法，對電源控制器的工程研制具有重要意義。

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